Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2012

Рис. 2. Схема грунтового массива со шпунтовым ограждением без приложения усилий.Результатвычисленийпопрограмме

Fem moduls

Результаты моделирования с учетом закрепления грунта (улучшения физикомеханических свойств) на 10 % (рис. 6–8).

Рис. 5. Величина просадки окружающего грунтового массива

Рис. 8. Эпюра перемещения шпунтового ограждения

Численные методы расчетов в практической геотехнике

Одновременно, в результатепроведенных пробных лабораторных испытаний по закреплению грунта с помощью эффекта электроосмоса, было выявлено улучшение механических характеристик грунта. Лабораторные испытания проводились с кембрийской глиной. Результаты пробных испытаний по закреплению глинистого грунта с помощью эффекта электроосмоса приведены в табл. 2.

В результате применённых методов закрепления, механические характеристики грунта улучшились от 12 до 21 % (угол внутреннего трения) и от 54 до 60 % (сцепление).

Выводы

1.Результаты выполненного математического моделирования свидетельствуютопринципиальнойвозможностииспользованияэлектрохимического закрепления грунта для решения инженерно-геотехнических задач, связанных с откопкой котлованов в слабых водонасыщенных глинистых грунтах.

2.Анализрезультатоврешенияпредставленнойзадачипоитогам математического моделирования показал, что закрепление грунта в основании котлова- насулучшениемфизико-механическиххарактеристикгрунтовогооснованиялишь только на 10 % (вследствие электрохимического закрепления) позволяет:

• Добиться уменьшения смещения шпунтового ограждения внутрь котлована, атакжеуменьшенияосадкиокружающегогрунтового массивапримерно на 7…10 %, что имеет важное значение при выполнении геотехнических работ

вусловиях плотной городской застройки.

• Получить перераспределение эпюры моментов в шпунтовом ограждении, с выравниванием ординат на участке откапываемогокотлована ина участке взакреплённом грунте, что позволяет наиболееэкономично использоватьзапроектируемую конструкцию.

142

Г. А. Матвеенко, В. А. Лукин, Е. П. Комаров

3.Проведенныелабораторныеиспытанияпоказываютвозможностьулучшения физико-механических характеристик глинистых грунтов в зависимости от времени пропускания тока и количества потраченной электрической энергии на удельный показатель грунта.

4.Дляуточненияпараметровзакрепления,атакжеопределенияоптимальной методики улучшения свойств грунта, планируется дальнейшее проведение рядалабораторныхисследованийпозакреплениюглинистого грунта спомощью электроосмоса и добавления химических добавок (хлористого кальция и хлористого натрия) с испытанием образцов грунта в приборах трехосного сжатия.

Литература

1.СНиП 2.02.01-83*«Основания зданий и сооружений».

2.Г.Н.Жинкин,В.Ф. Калганов«ЗакреплениеслабыхгрунтоввусловияхЛенинграда».

3.С.В. Богов «Глубинное закрепление глинистых грунтов».

4.Г.Н. Жинкин «Электрохимическое закрепление грунтов в строительстве».

5.Б.А. Ржаницын «Электрохимическое закрепление грунтов. Гидрология

иинженерная геология», 1940.

6.Программный комплекс Fem moduls.

УДК624.131

Г. А. Матвеенко, В. А. Лукин, Е. П. Комаров

(ООО «Строительная компания «Подземстройреконструкция», г. Санкт-Петербург)

ОПЫТУСТРОЙСТВАГЛУБОКОГОКОТЛОВАНА ВСАНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

Здание канализационно-насосной станции (КНС) «Рижская», где осуществлялся комплексный ремонт гидроизоляции, представляет собой опускной колодец диаметром 40 м и высотой 15 м, расположенный с глубины 9 м от поверхности земли (рис. 1). Над поверхностью грунта возвышается лишь административноедвухэтажноездание размером14×40м снесущимикирпичнымистенами и балочными перекрытиями. Фундаментная часть станции представляет собой монолитную железобетонную плиту толщиной около 1 м и расположена на глубине 22 м. Подземная часть здания состоит из нескольких этажей, выполнена такжеиз монолитного железобетона.В центральныхпомещенияхрасполагается электромоторный зал с мостовым краном и кабельный подвал, вокруг которых находятся резервуары, очистительные решетки и подводящие каналы.

Врамкахремонтагидроизоляциипредусматривалосьустройствобентоматов верхнего строения на глубину 10 м ниже поверхности грунта. С отметки -

143

Численные методы расчетов в практической геотехнике

7.000 рассматривались варианты нагнетания инъекционного раствора, либо закреплениягрунтовогомассивапотехнологииJetGrouting.Откопкакотлованапредполагалась под защитой шпунтового ограждения типа Larssen 703 с тремя уровнями распорных систем.

Абсолютные отметки участка изменяются от 3,9 до 3,0 м с уклоном в сторону реки Фонтанки. Инженерно-геологические условия площадки были определены по архивным скважинам. Осредненные значения характеристик грунта приведены в табл. 1.

Вгидрогеологическом отношенииучастокхарактеризуетсяналичием двух водоносных горизонтов подземных вод. Первый горизонт со свободной поверхностью приурочен к насыпным грунтам и озерным песками, питание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков. По результатам многолетних наблюденийСЗГГП«Севзапгеология»положениемноголетнегосреднегодовогоуровня подземных вод отмечено на глубине 1.5 м, на абсолютной отметке 1.45 м.

Второй напорный горизонт приурочен к межледниковым пескам и супесям на глубинах 14.5–15.5 м, на абсолютных отметках минус 11.16–12.55 м. Напор составляет порядка 9.7–10.9 м.

Расчет шпунта был выполнен с помощью пакета программ Wall-3, работающих по схеме Якоби. Одновременно было выполнено численное моделирование методом конечныхэлементовпо программе Plaxis8 стеми же характеристиками грунтов по модели Мора-Кулона. Расчеты шпунтового ограждения методом конечных элементов по программе Plaxis были выполнены проф. А. Б. Фадеевым. По поверхности грунта за пределами откапываемого котлована приложена нагрузка 20 кПа.

Откопка котлована предполагалась в три фазы: до глубины 4, 8 и 10 м. Шпунтовая стена опиралась на три яруса распорок, установленных последовательно по мере откопки котлована.

На рис. 2 а, б, в приведены общие результаты расчетов.

Г. А. Матвеенко, В. А. Лукин, Е. П. Комаров

Рис. 1. Разрез канализационно-насосной станции «Рижская»

Численные методы расчетов в практической геотехнике

в) откопки котлована глубиной 10 м

Рис. 2. Общая картина деформаций после трех фаз откопки котлована

Сравнительные результаты расчетов шпунта в программных комплексах Plaxis и Wall по двум скважинам приведены в табл. 2.

По скважине 328 были получены наибольшие усилия в шпунтовом ограждении. Расхождения в результатах расчетов методом конечных элементов по модели Мора-Кулона(Plaxis 8)и по схемеЯкоби(Well) дляуказаннойскважины не превышали 18 %.

146

Г. А. Матвеенко, В. А. Лукин, Е. П. Комаров

Воктябре-декабре2010 г. былоткопанкотлованглубиной 10 м и выполнено устройство гидроизоляции подземной части здания КНС «Рижская» (рис. 3). По окончании работ производилась обратная засыпка с демонтажом распорных конструкций, после чего было извлечено шпунтовое ограждение.

Впроцессе производства производились наблюдения за осадками здания

иотклонениями шпунта, значения которых на всех стадиях работ находились в пределах точности наблюдений.

Рис. 3. Общий вид котлована

Литература

1.Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83),

М.,1986.

2.Справочник проектировщика. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Стройиздат, М., 1985.

3.А.Б. Фадеев. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987.

4.А.Б. Фадеев. Гидроизоляция подземных частей зданий и сооружений. – Учебное пособие. СПбГАСУ, М., 2007.

5.Проект «Капитальный ремонт гидроизоляции здания КНС «Рижская» по адресу: г. Санкт-Петербг, Рижский пр., д. 43». ООО «Строительная компания «Подземстройреконст-

рукция». 2007.

147

Численные методы расчетов в практической геотехнике

УДК 624.13

И. И. Сахаров (СПбГАСУ)

РАЗВИТИЕПОДХОДАКЧИСЛЕННОМУ РЕШЕНИЮКЛАССАЗАДАЧ, СВЯЗАННЫХСПРОМЕРЗАНИЕМИОТТАИВАНИЕМГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ

Задачи оценки промерзания и оттаивания чрезвычайно актуальны для северных стран, к которым принадлежит Россия. Однако и в азиатских государствах, таких как Китай, Корея промерзанию и пучению стали уделять гораздо большее внимание, чем это было ранее – особенно в дорожном строительстве. Так, промерзаниегрунтоввЮжнойКорееможетдостигать1иболееметров,что составляет проблему сохранности дорожного полотна, а также легких зданий и сооружений. В связи с этим, внимание к проблемам промерзания и пучения ширится во всем мире. В России же и некоторых европейских странах (например, в Польше) в связи с последними холодными зимами участились случаи повреждения существующих объектов. При этом иногда затронутыми оказались незаконсервированные ограждения котлованов, в связи с чем стало очевидно, что учет криогенных процессов необходим в увязке со срокамикотлованных работ, а задачи должны решаться по крайней мере в двухмерной постановке.

Исследование морозного пучения имеет более чем столетнюю историю. Казалось бы, к настоящему времени многое, если не все, в отношении пучения должно быть известно. Однако ощутимый прогресс в науке с конца ХХ – начала ХХI века, в основном, достигнут в целиком искусственных отраслях – например, электронике и связанных с ней областях знания. В отношении познания окружающих нас природных сред и явлений прогресс далеко не так очевиден. Перефразируя известное изречение можно сказать, что сейчас мы больше осведомлены о внутреннем строении звезд, чем о процессах в поверхностных слоях грунта нашей планеты. Это в полной мере относится и к физике и механике морозного пучения.

Морозное пучение грунтов проявляется при замерзании поровой воды. Очевидно, что явления кристаллизации воды играют при этом первостепенную роль.Однаководаявляетсясложнейшимприроднымобразованием,изученность которого далекаотзавершения.В современной физикефактическиравноправно существуютболее20 структурныхмоделейводы.Специфические свойстваводы по сравнению с другими жидкостями трактуются в гидрофизике как аномалии, которых насчитывается не менее 14. Однако, в основном, это относится к свободной воде, в то время как вода на контакте с грунтовыми частицами должна рассматриватьсякаксвязанная,что ещеболееосложняетрассмотрениеперехода ее в лед.

При промерзании грунта в нем происходит формирование ледяных включений, что ведет к возникновению специфической криогенной текстуры. В ходе

148

И. И. Сахаров

промерзания тонкодисперсных грунтов к фронту промерзания и в мерзлую зоне мигрирует влага. При этом в мерзлой, промерзающей и талой зонах идут непрерывные структурно-текстурные преобразования, меняющие поровое пространство, а, следовательно, и коэффициенты переноса потоков, вызванных поверхностными и объемными силами. Таким образом, процессы промерзания отличаются крайней сложностью ввиду необходимости рассмотрения взаимосвязанных задач термодинамики, теплофизики, физико-химии, механики и гидромеханики. В связисэтим, рассчитывать на ясность в изучении физикии механикиморозного пучения грунтов в ближайшее время, очевидно, не представляется возможным.

По сравнению с промерзанием, проблемы оттаивания, ввиду четкой границы перехода мерзлого грунта в талый (для незасоленных грунтов), имеют несколько меньшую сложность. Однако для слабопроницаемых грунтов необходимо рассматривать процессы удаления образующейся при таянии льда воды, то есть рассматривать консолидацию приоттаивании.Отмеченная проблема, а также рассмотрение возникающих в практике случаев оттаивания массивов грунта сложной формы, расположенных на большой глубине (например – при рассмотрении деградации ледопородного цилиндра вокруг наклонного тоннеля метрополитена) делает некоторые задачи оттаивания также весьма трудоемкими.

Расчетнаяоценкавлиянияпученияназданияисооружения, имеющаямноголетниетрадиции,всилуобозначенныхвышепричин,всегдаоперировалавесьма грубыми приближениями. При аналитических подходах, основанных на наиболее распространенной адсорбционной теории миграции, эти приближения заключались в следующем [1].

1.Деформации пучения, определяемые исходя из дебита миграционного потока, предполагались только вертикальными, возможность развития боковых деформаций принципиально игнорировалась.

2.Температурнаячастьзадачиограничиваласьпринятиемлинейногораспределения температур в основании, не учитывая очевидную разницу в теплофизических характеристиках материалов фундамента и грунтов. При этом рассматривалось только одномерное (вертикальное) промерзание.

3.Нормальные силы пучения устанавливались на основе относительно немногочисленных экспериментальных данных, табулированных в зависимости от скоростей пучения и значений отрицательных температур.

4.Совместная работа сооружения и промерзающего основания оценивалась по приведенным жесткостям элементов здания, принимаемым как средние значения – в сечениях по простенкам и оконным проемам.

Результатами расчетов было сопоставление рассчитанных деформаций подъема (с учетом или без учета жесткости надфундаментных конструкций)

спредельным деформациям, составляющим для капитальных зданий величины от 2 до 4 см. Ввиду малости предельных замыкающих величин, удовлетворить данным ограничениям было весьма непросто.

Первые работы, в которых промерзание и пучение оценивались с помо- щьючисленныхметодов,появилисьвначале90-хгодов[2,3].Этиработывзначи-

149

Численные методы расчетов в практической геотехнике

тельной степени имели недостатки предшествующих им аналитических подходов. Так, теплофизическая сторона задачи фактически не рассматривалась и распределение отрицательных температур в массиве грунта принималось по линейномузакону.Задачиформулировалисьвплоскойилиосесимметричнойпостановках. Надземная часть здания в лучшем случае моделировалась в виде эквивалентной балки (для плоской задачи) или составного стержня.

Вработе[3],адаптированной кпервомуперсональномукомпьютеруАТ286, распространенномув России, разбивка массива была возможна всего на 1058 ко- нечныхэлементов.Числоитерацийнепревышало100,ашаговрешения–10.Про- грамма не позволяла выполнять визуализацию полей напряжений и деформаций, строить графики и т. п. Обработка данных требовала много рутинной ручной работы. Вместе с тем, моделирование выполнялось с учетом возможного развития горизонтальных деформаций пучения, для чего вводился коэффициент анизотропии. Это позволяло оценивать все компоненты напряжений в массиве грунта, выявлять зоны разрыва и пластики, что являлось определенным шагом по сравнению с предыдущими работами.

Расчеты деформаций оттаивания, выполняемые применительно к ледопородным цилиндрам наклонных ходов метрополитена, рассматривались в плоской постановке. Деформации устанавливались только стабилизированные, процедура их получения была основана на методе «начальных деформаций». Для получения пространственного решения требовалось рассмотрение нескольких плоских сечений [4]. Подобная методика позволяла получать очертания мульды оседания дневной поверхности, однако оценить развитие деформаций во времени было невозможно.

Следует отметить, что несовершенство конечно-элементной реализации задач промерзания и оттаивания [3,4] были для авторов очевидны. Дальнейшее развитиечисленногомоделированиябылонаправленонаувеличениеразмерности решаемых задач, то есть получение решений в 2-х и 3-х мерной постановке, корректного учета теплофизических условий задачи, учета доли миграционного по- токакграницепромерзания.Развитиемэтогобылосозданиевначале2000-хгодов модуля «Termoground», вошедшего в программный комплекс FemModels [5].

Теплотехнические задачи в модуле «Termoground» решаются на основе нелинейной модели промерзающего, мерзлого и талого грунта, предложенной в1982г.Я.А.Кроником[6].Процесспромерзания-оттаиванияописываетсясуче- том фазовых превращений воды в спектре отрицательных температур. Учет нестационарноститепловогорежимавтрехмерном полупространствепроизводитсявшаговомрежиме.Уравнениевертикальныхотносительныхдеформацийвключает в себя части, обусловленные увеличением объема грунта при замерзании воды (в том числе с учетом миграции – по предложению И.А.Золотаря [7]), атакже вызванным криогенным растрескиванием мерзлогогрунта.Относительные деформации, параллельные фронту промерзания, вычисляются по выражению εfhII = ψεfh , где ψ представляет собой экспериментально определяемый коэффициент анизотропии морозного пучения.

150

И. И. Сахаров

Величина относительной деформации оттаивания водонасыщенных мерзлых грунтов определяется одним из двух способов:

1. ПорезультатамлабораторныхопределенийпометодикеГОСТа.Вэтом случае относительные деформации оттаивающих грунтов определяются из выражения

где Ath – относительная деформация тепловой осадки оттаивания; δith – относительная деформация грузовой осадки оттаивания.

где m0th – коэффициент сжимаемости оттаивающего грунта, pi – уплотняющее вертикальное давление.

2. По зависимости, предложенной М.Ф. Киселевым, когда значения dεth

устанавливаются по физическим показателям промороженного грунта [8].

На рис. 1–4 в качествепримеров решения задач промерзания и оттаивания приведены некоторые результаты. При этом на рис. 1 приведены результаты решения температурной задачи промерзания по одному из сечений здания (при максимальной глубине промерзания) [9]. На рис. 2 показаны эпюры деформаций подъема стен здания вследствие пучения. На рис. 3 показаны зоны растяжения в стенах здания и фактически зафиксированные трещины в кладке. Полученныев результатечисленных решений значения хорошо согласуются с данныминатурныхизмерений(рис.1 и2)и наблюдений(рис.3) иименноввыделенных зонах в кладке стен образовывались сквозные трещины.

Рис. 1. Распределение мерзлого и талого грунта по одному из сечений незаконсервированного на зимний период здания подстанции

с неутепленным на зиму подпольем. Красным цветом показан талый грунт

151

Численные методы расчетов в практической геотехнике

Рис. 2. Эпюра подъема обреза фундамента здания подстанции при морозном пучении (максимальныезначения)

Рис. 3. Зафиксированные зоны образования трещин и границы областей в стенах, выделенные красным цветом, где растягивающие напряжения превосходят прочность кирпичной кладки на растяжение (по расчету)

152

И. И. Сахаров

Рис. 4. Расчетная схема положения наклонного метрополитена хода по отношению к слоям грунта

Рис. 5. Изолинии осадок дневной поверхности в плане gри полном оттаивании ледопородного цилиндра

Обсуждая приведенные результаты, отметим следующее.

Оценка максимальнойглубины промерзания (рис. 1). Из рисунка видно,

что наибольшаяглубинапромерзания приурочена кучасткам устройстваприям-

153

Численные методы расчетов в практической геотехнике

ков.Максимальнаяглубинапромерзанияпо расчетамсоставила1,45м,чтосоответствует нормативным глубинам промерзанияв регионе. Промерзаниедо полуметра получено также для основания внешнихграней фундаментов. Это связано с тем, что железобетонное тело фундаментов представляет собой мостики холода, через которые отрицательная температура достигает внешних граней. Таким образом, учет разной теплопроводности материала фундамента и грунта, никогда не выполняющийся при аналитических подходах, часто необходим.

Оценка деформаций подъема (рис. 2). Здание деформируется с выгибом. Характер деформацийподъемаиихвеличинаподтверждаетсяданнымигеодезических измерений.

Оценка прочности кладки и местоположения трещин (рис. 3). Расчет выявил области в стенах подстанции, где растягивающие напряжения превосходят прочность кирпичной кладки на растяжение. Очевидно, именно в этих местах следовало ожидать развития сквозных трещин. Местоположение фактически образовавшихся трещин совпадает с расчетными данными.

На рис. 4 и 5 показана расчетная схема наклонного хода метрополитена и вид осадок поверхности при полном оттаивании ледопородного цилиндра. В отличие от [4], решение задачи пространственное. Как видно из рис. 5, максимальные осадкиоттаивания достигают0,49 м. Загасание деформаций поверхности в продольном направлении соизмеримо с длиной наклонного хода, в поперечном направлении достгает почти 75 м, что согласуется с экспериментальными данными.

Таким образом, существующий усовершенствованный расчетный аппарат вполне может быть использован для оценки достаточно сложных случаев промерзания и оттаивания. При этом дальнейшие исследования следует направить на изучение деформаций анизотропии пучения, а также уделить пристальное внимание вопросам консолидации при оттаивании.

Литература

1.Ведомостныестроительныенормы. Проектированиемелкозаглубленныхфундамен- товмалоэтажныхзданийнапучинистыхгрунтах./ВСН-29-85).М.:МинсельстройСССР,1985.

2.Полянкин Г.Н. Исследование совместной работы основания и фундамента в промерзающих пучинистых грунтах. Автореф. Дисс..канд. техн. Наук. Л.: ЛИСИ, 1982.

3.Фадеев А.Б., Сахаров И.И., Репина П.И. Численное моделирование процессов промерзания и пучения в системе«фундамент – основание»// Основания, фундаменты и механика грунтов, 1994, № 5.

4.Сахаров И.И. Физикомеханика криопроцессов в грунтах и ее приложения для оценки деформаций зданий и сооружений. Автореф. Дисс..докт. техн. наук.СПб., СПбГАСУ, 1995.

5.Kudryavtsev S.A., Sakharov I.I., Paramonov V.N. Numerical forecast of freezing, heave and thawing of soils under footings in three-dimensional mode. Permafrost engineering. Proceeding of thefifth Internationalsymposiumonpermafrostengineering(2-4September2002,Yakutsk,Russia). – Yakutsk: Permafrost Institute Press, 2002. – Vol.1. P.198-202.

6.Кроник Я.А. Термомеханические модели мерзлых грунтов и криогенных процессов. – В кн.: Реология грунтов и инженерное иерзлотоведение. М.: Наука. 1982.

С.А. Кудрявцев, А.А. Петерс, И.В. Шестаков

7.Золотарь И.А. Расчет промерзания и величины пучения с учетом миграции // Процессы тепло-массопереноса в горных породах. М.: Наука, 1965. С. 19-25.

8.Киселев М.Ф.Теория сжимаемостиоттаивающихгрунтовподдавлением.Л.:Стройиздат, 1978.

9.Парамонов В.Н., Сахаров И.И., Парамонов М.В. Опыт совместного расчета здания

сиспытывающим промерзание основанием // Жилищное строительство, № 2, 2011.

УДК624.131

С.А. Кудрявцев, А.А. Петерс, И.В. Шестаков

(Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск)

ЧИСЛЕННОЕМОДЕЛИРОВАНИЕПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯПУЧИНИСТЫХОСНОВАНИЙ МАЛОНАГРУЖЕННЫХЗДАНИЙ

В статье приведены результаты исследованияпроцесса промерзания оснований малонагруженных плитного и свайного фундаментов в условиях г. Хабаровска. Результаты исследования позволили разработать конструктивные рекомендациидля предотвращениядеформаций изащиты основанийифундаментов малоэтажных зданий от воздействия сил морозного пучения.

Введение

Проблема проектирования и строительства на пучинистых грунтах особенно остростоитвДальневосточномрегионевсвязисвозрастающимиобъемами строительства. Дальний Восток отличается суровым климатом с глубоким сезонным промерзанием и особенностями инженерно-геологических условий региона. И деформации грунтов в основании фундаментов при их промерзании и оттаивании оказывают серьезные повреждения малонагруженным фундаментам зданий и сооружений, незавершенным объектам (без отопления).

Проектированиеиконструированиефундаментовнеобходимопроизводить комплексно в годичном цикле процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания. При этом должны быть проработаны конструктивные меры защиты оснований и фундаментов от влияния на сооружения этих негативных явлений.

1.Методикачисленногомоделированияпроцессапромерзания

Процессыпромерзания-оттаиванияописываютсяуравнениемтеплопровод- ностидлянестационарноготепловогорежимавтрехмерномгрунтовомпространстве следующим уравнением [Фадеев А.Б., 1987]

Численные методы расчетов в практической геотехнике

где Cth( f ) – удельная теплоемкость грунта (талого или мерзлого) (Дж/кГ К); ρd –

плотность сухого грунта (кГ/м3); Т – температура (К); t – время (с); λth( f ) –

теплопроводность грунта (талого или мерзлого) (Вт/м К); x, y, z – координаты (м); qV – мощность внутренних источников тепла (Вт/м3).

Это уравнение позволяет определять величины входящего и выходящего тепловогопотокаизэлементарного объемагрунта,оставляяосновнойпотокобъема грунта в точке во времени равным изменению величины теплооборотов.

При установившихся условиях поток, входящий и выходящий из элементарного объемагрунта, одинаковв любоевремя. В этом случае левая часть уравнения сокращается, и уравнение будет иметь вид:

Функция теплоемкости состоит из двух частей. Первая часть – объемная теплоемкость грунта (талого или мерзлого) и вторая часть – скрытая теплота фазовых переходов в интервале отрицательных температур поглощенная или отданная грунтом из-за измененийфазы грунтовой воды,представленная ввиде:

где L0= 335 x 106 Дж/м3 = 335 x 103кДж/м3 = 8975 Btu/ft3 = 79760 ккал/м3 – теплотафазовыхпревращенийвода-лед;Ww –влажностьмерзлогогрунтазасчет незамерзшей воды.

Объемная теплоемкость Cth (f) представляет собой наклон кривой теплооборотов в талых и мерзлых зонах. Слагаемое

представляет показатель изменения компоненты скрытой теплоты фазовых переходов в спектре отрицательных температур, поглощенной или отданной грунтом из-за изменений фазы грунтовой воды.

Когда функция содержания незамерзшей воды в грунтах определена, общее содержание незамерзшей воды может быть выражено как:

где Wр – влажность на границе раскатывания; Кw – коэффициент содержания незамерзшейводывмерзлыхглинистыхгрунтахпринимаетсясогласнотабл. 3.1 [СНиП 2.02.04-88, 1990]

Подставляя соотношение (3) в выражение (1) получим полное дифференциальное уравнение:

156

С.А. Кудрявцев, А.А. Петерс, И.В. Шестаков

2.Характеристикаэкспериментальныхучастков

Сцелью изучения процесса промерзания грунта и его пучения в Хабаровске в октябре 2009 года были организованы два экспериментальных участка.

Объектами исследования явились плитный фундамент и фундамент на буронабивных сваях малоэтажных зданий. Грунты экспериментальной площадки представлены сверху пылеватым суглинком мягкопластичным до глубины 3 м, подстилаемый гравийным грунтом. Под плитный фундамент была подготовлена щебеночная подушка мощностью от 0,2 м до 0,5 м. Столбчатый фундамент выполненна участке, имеющем поверхностное понижение, часть фундамента до 1 м оголена и находится над поверхностью земли. Уровень подземных вод в начале зимы находился на глубине –1.5 м.

Промерзание грунтов в Хабаровске происходит в ноябре-апреле, нормативная глубина промерзания грунтов 200–260 см. Ненагруженные или легко нагруженные фундаменты, заложенные в пучиноопасные грунты, начинают подниматься за счет касательных и нормальных сил пучения.

Дляколичественнойоценкиглубиныпромерзаниябылиорганизованытермометрическиескважины,позволяющиенаблюдатьизменениетемпературыгрунта основания по глубине и во времени. На плитном фундаменте термометрическая скважина № 1 была оборудована рядом с маркой № 2, термометрическая скважина № 2 была оборудована рядом с маркой № 5. На свайном фундаменте термометрическая скважина № 3 была оборудована рядом с маркой № 1, термометрическая скважина № 4 была оборудована рядом с маркой № 3.

3.Результатыэксперимента

Для более широкой картины оценки процесса промерзания и морозного пучения было проведено численное моделирование методом конечных элементов.

Быливыполненытеплофизическиерасчетыпромерзанияиоттаиваниягрунтов оснований с учетом фазовых превращений в спектре отрицательных температурдлянестационарноготепловогорежимавтрехмерномгрунтовомпространстве методом конечных элементов с помощью программного комплекса «FEM models», разработанного подруководством профессораВ.М.Улицкого сотрудниками НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект».

В 2009 годуоктябрь охарактеризовался температурой наружного воздуха на 1 °С выше нормативной, а ноябрь и последующие месяцы ниже нормативных: ноябрь – на 0,7 °С, декабрь – на 2,36 °С, январь – на 0,82 °С, февраль – на 1,94 °С.

Первичный снежный покров начал образовываться в ноябре, во второй декаде ноябряимелмощность 0,05–0,10 м. Во второйдекадедекабрявследствие

157

Численные методы расчетов в практической геотехнике

обильных осадков в районе экспериментального участка образовался устойчивый уплотненный снежный покров мощностью 0,5–1 м.

Начальным условием задачи является заданное значение поля температуры в исследуемой области грунта в начальный момент времени. Граничные условия представляют собой среднемесячные значения температуры атмосферноговоздухавХабаровске,данныеметеослужбыв/ч35471МОРФ,влажностьгрунта и теплофизические свойства.

Результаты наблюдений за изменением температуры грунтов в термометрическихскважинахнаглубине1.0мотустьязапериодсоктября2009поянварь 2010, а так же результаты численных экспериментов показывают следующее: температура грунта на глубине 1.0 поверхности изменялась от +50С в октябре до (-2.2…-2)0С в январе в термоскважине №1, от +50С в октябре до (-2.7….-2.5)0С в январе в термоскважине №2, от +50С в октябре до (-2.2 …-2)0С в январе в термоскважине №3 и от +50С в октябре до (-2.7….-2.5)0С в январе в термоскважине №4.

Вертикальные перемещения оснований определялись регулярной нивелировкой их поверхности.

Графики накопления вертикальных деформаций плитного фундамента и фундамента набуронабивных сваях за периоднаблюдения показаны на рис. 1, 2.

Рис.1. График вертикальных деформаций плитного фундамента

Рис. 2. График вертикальных деформаций свайного фундамента

М.В. Парамонов, И.И. Сахаров

Влияниесилморозного пученияна фундаментыэкспериментальных участков неравномерно. В первые 3 месяца наблюдения деформации составили для плитного фундамента 0–93 мм, (за первый период наблюдения – 20–75 мм, за второйпериод наблюдения – 1–46 мм, за третий период наблюдения – 6–106 мм), длясвайногофундамента–335 –685мм (запервыйпериоднаблюдения8–190мм, завторойпериоднаблюдения4–46,мм,затретийпериоднаблюдения–291–591мм). Свайный фундамент получил большие деформации из-за более глубокого промерзания по стволу сваи и под его пятой.

Выводы

Результаты опытных замеров температуры и результаты численного моделированияпоказали, что снежныйпокров, являющийся естественным теплоизолирующим материалом, заметно уменьшил скорость и интенсивность морозногопучения,чтодоказываетцелесообразностьиэффективностьвыполненияутепления фундамента с использованием экструдированного пенополистирола для снижения негативного влияния сил морозного пучения.

Литература

1.Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987. 221с.

2.КарловВ.Д.Основанияифундаментынасезоннопромерзающихпучинистыхгрунтах / СПГАСУ. Санкт-Петербург, 2007. 362 с.

3.Кудрявцев С.А., Тюрин И.М. Теорияи практика проектирования фундаментов зданий и сооружений в пучиноопасных грунтах Дальнего Востока: Учебное пособие. – Хабаровск: ДВГУПС, 1999. – 83 с.

4.Невзоров А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающихгрунтах. Учебноепособие /

М. Изд. АСВ, 2000, 152 с.

5.СНиП2.01.01–82. Строительнаяклиматология и геофизика / ГосстройСССР. – М.: Стройиздат, 1983. – 136 с.

УДК624.139

М. В. Парамонов (ПГУПС, Санкт-Петербург), И. И. Сахаров (СПбГАСУ, Санкт-Петербург)

ЧИСЛЕННАЯОЦЕНКАВЛИЯНИЯМОРОЗНОГОПУЧЕНИЯНАНДС УКРЕПЛЕННЫХСТЕНКОТЛОВАНОВ

Принеобходимостивскрытияглубокихкотлованов строительствообычно бывает достаточно длительным и захватывает холодное время года. Нередки такжеслучаиостановкистроек,что выявилкризис 2008г. Вперечисленных случаях грунт в зимний период промерзает, при этом промерзание бортов котлова-